[实用新型]强化钛传热元件的制造装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种钛传热元件的制造技术，特别是涉及一种垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造装置。

背景技术

随着能源的日趋紧张，对化工产业节能、环保以及低碳等技术指标的逐年提高。目前，为提高传热元件的换热能力，人们采用了诸多强化热方法，如内插强化元件法，异形结构法，换热表面处理法等，其中表面处理法能有效地增大传热元件的表面积，加强液体的扰动，强化换热效果显著。例如中国专利CN 90224727.1发明了一种内波纹螺纹管传热元件；该方法在一定程度上有效地提高了换热元件的换热能力。通过浸渍、溅射及等离子体发射等方法，Takata Y等采用纳米TiO₂涂层换热表面的降膜蒸发的传热性能进行了研究，结果在低流率和低热通量范围内强化传热效果显著。大连理工大学在电解液中利用品间和小孔腐蚀原理，在不锈钢内、外表面腐蚀出表面多孔层，以提高传热元件的沸腾换热性能，收到了良好的效果，但该方法显著降低了材料的机械强度。CN85102762公开了一种多孔表面传热元件电化学制造方法：以钢制传热元件为阳极，三氯化铁为电解液，利用小孔腐蚀的原理在传热元件表面生成微孔，以这些蚀孔为汽化核心，可以提高传热效率，降低沸腾温差。

虽然以上各种方法都在一定程度上提高了换热元件的传热性能，但它们都有在制造成本高，且涂层易脱落或降低材料强度的缺陷，尤其是以上各种方法均不适用于钛制换热设备。钛材具有强度高，质量轻，耐腐蚀，无毒的诸多优点，现已被广泛应用于航天、医药、化工、食品等各个领域，尤其是其耐腐蚀的特性，更是为海水淡化领域或含氯离子产品加工行业所青睐。因此加强对钛换热元件的研究开发具有重大意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造装置。本实用新型以含氟化铵的无机酸溶液为电解液，采用直流阳极氧化工艺，在钛或钛合金传热元件表面一步构建出一种具有纳米管阵列分布特征的强化传热表面，本实用新型提供了强化钛换热管内、外表面的制备方法。本实用新型得到的该保护层具有较好的浸润性，尤其是处于纳米级别的管孔可作为汽化核心，起到提高传热效果，适用于伴随相变传热的蒸发器、再沸器以及冷凝器的需要。

本实用新型提供的垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造方法是采用稳压直流阳极氧化工艺，使钛金属表面直接生长出强化传热表面，步骤包括：

1)首先，将钛传热元件用有机溶剂(丙酮或酒精)洗涤以去除油污；

2)将质量浓度为0.25％氟化铵和10％硫酸水溶液的电解液注入阳极氧化装置的电解池中；

3)以钛传热元件为阳极，石墨(或其他惰性金属，例如铜)为阴极，进行恒压阳极氧化反应；阳极氧化工艺条件：氧化电压20-60伏特，时间45-75分钟，氧化温度20-40℃；得到垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件。

本实用新型所述的强化钛传热元件为钛换热管或换热板。

本实用新型提供的所提供的用于制造垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件(换热管)的阳极氧化装置主要包括：稳压直流电源，辅助电极，电解池，定位托盘、圆环(或绝缘压槽)，电解液储槽，泵和阀门。其中稳压直流电源正极接钛传热元件(换热管)，负极接辅助电极，钛传热元件置于电解池中，并通过定位托盘与定位圆环(钛换热管外表面阳极氧化处理)或绝缘压槽(钛换热管内表面阳极氧化处理)加以定位，电解池上电解液溢流口和电解液进口分别通过泵和阀门与电解液储槽连接。

本实用新型通过阳极氧化工艺，使传统钛传热表面(致密的二氧化钛平面膜)在电场作用下变形为具有立体结构特征的纳米管阵列强化传热表面。该强化传热表面具有如下特征：

传热表面组成物质为二氧化钛，其结构由两部分组成：底部致密阻挡层和上部疏松的纳米管阵列，管壁通过致密阻挡层与钛金属相连；

纳米管为中空管状结构，各纳米管之间存在管间隙，如图1所示。所有纳米管结构尺寸大体相同：h(长度)为500-1000纳米，s(阻挡层厚度)约为20-50纳米；D(纳米管外径)为50-300纳米，t(壁厚)为10-30纳米。